一种甲醇燃料电池系统及控制其水热平衡运行的方法

技术领域

本发明涉及电池系统，具体涉及一种甲醇燃料电池系统及控制其水热平衡运行的方法。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)的工作原理如图3。其阳极和阴极催化剂分别为Pt-Ru/C(或Pt-Ru黑)和Pt-C。其电极反应为：

阳极：CH

阴极：1.5O

电池的总反应为CH

DMFC在反应过程中，参与阳极循环的低浓度甲醇溶液；消耗1mol甲醇需要消耗1mol水，同时生成1mol CO

DMFC系统在高温状态下散热量不足，一方面容易导致系统回水不足，另一方面由于散热不足导致电堆温度过高，导致系统效率下降及密封等问题。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供精准控制的一种甲醇燃料电池系统及控制其水热平衡运行的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种甲醇燃料电池系统，包括电堆、阴极管理模块和阳极管理模块；所述阴极管理模块与电堆阴极出口相连接，依次包括第一散热模块、第一气液分离器和空气流量计；所述阳极管理模块包括可注入蒸馏水和甲醇燃料的第二气液分离器，还包括第二散热模块，所述第二气液分离器包括储液腔和分离腔，储液腔通过循环液泵与电堆阳极入口相连，电堆阳极出口与第二散热模块和分离腔依次相连通；所述第一气液分离器下端通过管路和补给泵与第二气液分离器的储液腔相连通。

作为对本发明一种甲醇燃料电池系统的改进：所述第一气液分离器包括液位计和带有隔板的气液分离腔。

作为对本发明一种甲醇燃料电池系统的改进：所述第一散热模块和第二散热模块都包括一个散热器和一个散热风扇，风扇功率可调。

作为对本发明一种甲醇燃料电池系统的改进：所述第二气液分离器的分离腔中设有液位计，储液腔下端设有燃料入口，与甲醇桶、过滤器和甲醇计量泵通过管路连接。

作为对本发明一种甲醇燃料电池系统的改进：第一散热模块进口和出口处分别设置一温度传感器，第二散热器出口处设置一温度传感器。

本发明还提供一种系统水热平衡运行方法，包括如下步骤：确认各流量参数、组分及散热量的计算、以及系统运行水热平衡的调节，具体步骤如下：

S1：测量环境温度为T0(K)，测量电堆阴极出口温度T1(K)，测量阴极冷却后温度T2(K)，测量阳极冷对后温度T3，用流量计测量尾排气体流量q

S2：组分及散热量的计算方法如下：

(1)空气质量流量：

P

atm:环境压力,Pa；

(2)冷凝水量：

P

(3)冷却水量：m

ρ

(4)散热量的计算方法

a)空气冷却散热量计算方法：

Q

C

b)冷凝水散热量计算公式：

Q

HT2：温度为T2时水的冷凝潜热

c)冷却水散热量计算方法：

Q

C

d)总散热量计算方法：

Q

S3：通过控制补给泵保证甲醇溶液的液位稳定；通过控制第二散热模块的散热风扇来控制T3，保证系统高温状态下处于恒定的温度运行；通过控制第一散热模块的散热风扇来控制T2，保证系统高温状态下满足水平衡要求。

作为对本发明一种水热平衡运行方法的改进，通过调整风扇电压或风扇转速来控制散热功率，其中第一散热器风扇功率为Fan1＝f(T0，T1，T2，q

Fan2＝f(T0，T1，T3)。

本发明一种甲醇燃料电池系统及控制其水热平衡运行的方法的技术优势为：

本发明通过散热器系统的传感器和流量计，准确的计算出DMFC系统水平衡的状态、阴极的散热量、阴极的组分，从而进一步优化系统的水热管理控制策略，能够满足系统在高温状态下的水热管理要求。

本发明增加阳极散热器来稳定电堆的温度。采用独立的冷却水罐将冷却水与高温甲醇溶液分开，防止冷却后的空气再次被加热。通过计算阴极的组分及散热量来精准的控制散热风扇，以此来满足系统高温状态下的的水平衡要求。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明一种甲醇燃料电池系统的结构示意图；

图2是DMFC工作原理图；

图3是系统散热情况示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、一种甲醇燃料电池系统，如图1所示，包括电堆1、阴极管理模块和阳极管理模块。

阴极管理模块与电堆1阴极出口相连接，依次包括第一散热模块21、第一气液分离器22和空气流量计23；第一气液分离器22包括液位计和带有隔板的气液分离腔221。气液分离腔221顶部中间位置安装有竖直向下延伸的隔板，气液分离腔221左右两侧顶部分别设置有进口和出口，冷却后的气液混合物从进口进入气液分离腔221，气液混合物中的液体在隔板上凝聚滴落汇集，气液混合物中的气体从出口流出。

第一散热模块21进口和出口处分别设置一温度传感器，第二散热器出口处设置一温度传感器。通过第一散热模块21的散热风扇对阴极散热，并分别测量第一散热模块21入口和出口温度T1、T2。阴极组分冷却后进入气液分离腔221，空气经气液分离腔312后经过空气流量计23排入大气；独立冷却水罐能够避免高温甲醇溶液对气体进行加热。

阳极管理模块包括可注入蒸馏水和甲醇燃料的第二气液分离器31，还包括第二散热模块32，第二气液分离器31包括储液腔311和分离腔312，储液腔311和分离腔312上下连通，储液腔311通过循环液泵7与电堆1阳极入口相连，电堆1阳极出口与第二散热模块32和分离腔312依次相连通；第一气液分离器22下端通过管路和补给泵8与第二气液分离器31的储液腔311相连通。第二气液分离器31的分离腔312中设有液位计，储液腔311下端设有燃料入口，与甲醇桶4、过滤器5和甲醇计量泵6通过管路连接。第二散热模块32的散热风扇对阳极溶液进行散热，并测量其散热器出口温度T3；储液腔311通过液位计及补给泵8来维持甲醇溶液的稳定。

第一散热模块21和第二散热模块32都包括一个散热器和一个散热风扇，风扇功率可调。

甲醇燃料电池系统控制其水热平衡运行的方法，包括以下步骤：

确认各流量参数、组分及散热量的计算、以及系统运行水热平衡的调节，具体步骤如下：

S1：测量环境温度为T0(K)，测量电堆1阴极出口温度T1(K)，测量阴极冷却后温度T2(K)，测量阳极冷却后温度T3，用流量计测量尾排气体流量q

S2：组分及散热量的计算方法如下：

(1)空气质量流量：

其中：

P

atm:环境压力，Pa；

(2)冷凝水量：

其中：

P

(3)冷却水量：m

其中：

ρ

(4)散热量的计算方法：

e)空气冷却散热量计算方法：

Q

C

f)冷凝水散热量计算公式：

Q

HT2：温度为T2时水的冷凝潜热；

g)冷却水散热量计算方法：

Q

C

h)总散热量计算方法：

Q

S3：

a)、通过控制补给泵8保证甲醇溶液的液位稳定；

b)、通过控制第二散热模块32的散热风扇fan2来控制T3，保证系统高温状态下处于恒定的温度运行；直接甲醇燃料电池T'一般高效运行区间在65-75℃。系统的目标温度T’与T0相关，T0越高，T’就增大一些，具体的T’值需要按设备的硬件要求和性能要求来确定，通过控制风扇fan2使T3的温度与目标温度T'一致，这个能够避免电堆温度过高或过低。

fan2(T')＝f(T0，T3)

通过反馈控制，如果T3的温度比T'高，则增加风扇的转速，如果T3比T'低，则降低风扇的转速，结果使T3的温度与T'相等。

c)、已知环境温度T0,环境湿度h，以及空气的质量流量m

其中P

根据系统甲醇的消耗量可以得到反应生成的水量Wr，系统尾气带走水量为Wout，系统水平衡条件为W

系统尾排气体是饱和水蒸汽，按照水平衡条件可计算得到T2的目标温度T”，

按着水平衡条件W

根据P

结合已知的质量流量m

H

式中C

r

C

结合散热器1的散热特性控制风扇fan1使T2的温度保持在目标温度T”。

fan1(T″)＝f(H

把上面计算得到的散热器1的所需散热量H

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。